琼东南盆地地壳伸展因子计算及其伸展模式探讨

2012-12-18贺超龙根元吴世敏

大地构造与成矿学 2012年2期

贺超，龙根元，吴世敏

(1.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广东广州510301;2.中国科学院研究生院，北京100049;3.海南省海洋地质调查研究院，海南海口570206;4.中山大学地球科学系，广东广州510275

贺超1，2，龙根元3，吴世敏4

对伸展因子β的计算分析，可认识岩石圈的伸展变形特点。基于琼东南盆地具有“多米诺”伸展断层构造的5条反射地震剖面资料，利用“多米诺”伸展断层模式计算了上地壳伸展因子，其值分布在1.17～1.58之间;与对应位置的全地壳和岩石圈的伸展因子比较，结果显示上地壳、全地壳和岩石圈伸展因子三者之间存在差别，但不是简单的随深度增大，具体表现为盆地中北部的岩石圈伸展变形特点为岩石圈伸展因子大于全地壳大于上地壳，盆地西南部则表现为全地壳最大，岩石圈最小。通过计算，结合研究区相关研究成果，本文认为琼东南盆地岩石圈发生了随深度变化的伸展变形;不同构造位置的岩石圈伸展变形存在明显差异。

“多米诺”伸展断层;伸展因子;与深度相关的岩石圈伸展;琼东南盆地

0 引言

对岩石圈伸展变形的认识发展到今天，主要停留在两个端元模型，即纯剪模型(McKenzie，1978)和单剪模型(Wernicke，1985)。纯剪模式假设盆地地壳和岩石圈的伸展量是相同的，伸展因子β是唯一的;而单剪模式则认为盆地岩石圈的伸展是非均一的，即存在上地壳、全地壳、岩石圈伸展因子。在对伸展模式的判断中，伸展因子β起到一定检验作用。伸展因子β，即伸展前后的地壳厚度之比，是定量描述岩石圈变薄程度的参数(McKenzie，1978)。β值越大，表明地壳减薄程度越显著。因其涉及到盆地的沉降充填、沉积物埋藏及热演化史等，是研究盆地构造演化史最重要的基本参数之一。

目前，计算伸展因子β的方法主要有:(1)沉降史分析。利用钻井、地震剖面资料，进行古水深校正、压实校正、古海平面校正和沉积物重力均衡校正后，求得构造沉降量，通过构造沉降量反演伸展因子。该方法是目前最常用的方法;(2)从地壳减薄的角度，直接通过地壳厚度计算伸展因子β，即初始地壳厚度与减薄后地壳厚度之比。该方法普遍运用于对整个研究区的大面积计算。在实际操作中，初始地壳厚度为估算，拉伸后地壳厚度为重磁数据或者深部地震资料反演得出的Moho面深度减去新生代沉积层厚度;(3)“多米诺”伸展断层模式(domino-style fault block model)，即旋转平面式断层模式。利用三角形边角关系计算求得伸展因子β。

这些方法各有优缺点，如第一种方法涉及古水深估算、古海平面变化以及去压实等，并且要求正、反演结合，计算复杂，影响因素较多，存在一定不确定性;第二种方法在软流圈发生熔融产生底侵作用的地区或者初始地壳厚度难以估算的地区，容易产生误差;第三种方法要求地震剖面质量高，地层分层明确，断层分布与样式相对简单、清晰。

南海北部新生代沉积盆地历经数十年的石油勘探，对盆地的地层分层较为详细，同时琼东南盆地的伸展构造表现出相对简单的“多米诺”伸展断层(龙根元等，2010)，因此，本文利用“多米诺”伸展断层模式对琼东南盆地的伸展因子进行计算，然后结合其它方法计算的伸展因子进行对比，最后探讨盆地的伸展模型。

1 区域地质背景

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘西南部，其北侧为海南隆起区，东侧为神弧隆起区，东南与西沙隆起区相邻，西侧以1号断裂与莺歌海盆地相接(图1)。

琼东南盆地的基底由前古近系的火成岩、变质岩及沉积岩组成，包括花岗岩、混合岩、角砾岩、凝灰岩、集块岩、安山玢岩、英安流纹岩、白云岩等(魏魁生等，2001)。盆内主要充填古近纪-新近纪地层，从下至上分别为始新统(Tg-T8)、渐新统崖城组(T8-T7)、渐新统陵水组(T7-T6)、中新统三亚组(T6-T5)、中新统梅山组(T5-T4)、中新统黄流组(T4-T3)、上新统莺歌海组(T3-T2)以及第四系(T2-)。

琼东南盆地断裂主要发育于古近系裂陷构造层，表现为NE、近EW、NW-NWW向3组断裂。自西向东，整个盆地的断裂空间展布呈现出由近EW向为主往以NE向为主转变这一规律。

图1 琼东南盆地构造区划分、主要断裂分布以及地震测线图(据龙根元等，2010，已修改)Fig.1 Sketch map showing tectonic units，main faults and profiles in the Qiongdongnan basin

琼东南盆地经历裂陷和裂后两大阶段，以破裂不整合面T6为界划分为上、下构造层，上构造层为统一坳陷，断裂不发育;下构造层断裂构造非常发育，相互分割盆地，形成了多个凹陷。盆地分为三个坳陷带(图1):北部坳陷带、中央坳陷带和南部坳陷带。北部坳陷带发育了崖北、崖南、松西和松东凹陷，构造样式为半地堑;南部坳陷带发育了北礁凹陷、玉琢礁凹陷等，构造样式主要为半地堑;中央坳陷带发育了乐东、陵水、松南和宝岛凹陷，地堑为其主要的构造样式(龙根元等，2010)。其中，半地堑为琼东南盆地裂陷期最基本的构造样式，其中又以“多米诺”式半地堑作为琼东南盆地半地堑构造样式中常见的一种，在坳陷、低隆起带均有发育。该类型半地堑由2条或2条以上、同向倾斜的正断层组成，整体形态呈锯齿状、内部地层结构相似且断层与地层倾向相反(李奋其，2003;龙根元等，2010)。随着盆地拉张作用的进行，断层、断盘都发生旋转，导致断层倾角逐渐减小而地层倾角逐渐加大，从而实现了岩石圈的伸展(Schlische，1991)。

2 数据来源及处理

本文的数据主要来自石油公司提供的地震剖面。本次计算了琼东南盆地代表性“多米诺”式半地堑的地震剖面5条(图1)。地层标定采用石油公司的对比方案(谢文彦等，2007;龙根元等，2010)，首先数字化时间地震剖面，然后利用中海油提供的琼东南盆地时－深转换表拟合的公式(1)，得到深度地震剖面。

3 伸展因子计算方法与结果

3.1 “多米诺”式断盘模式的提出

“多米诺”伸展断层是在拉张应力作用下，断层和断盘均发生旋转所形成的正断层，又称为旋转平面式正断层，在不同尺度、几何学形态中均识别出这种类型的断层(Axen，1988)。该类构造最早在研究北美西部盆岭构造时在拆离构造带上发现。尔后，该区域发育的断层等伸展构造特征也运用到其它伸展系统中，特别是被动大陆边缘(Wernicke and Burchfiel，1982)。

Wernicke and Burchfiel(1982)在Airy均衡模式下，在假设断层间距相同、分离层位水平这一理想条件下，建立了伸展因子β，正断层旋转后倾角φ，地层旋转角度θ(初始为水平)，初始断层水平间距F′、旋转后断层间距F这些参数之间的关系(图2)，如下:

3.2 计算结果

在深度剖面上，横、纵坐标比例一致的状态下，测量出断层倾角和地层倾角，利用公式(2)，计算出上地壳伸展因子β(图3、图4，表1)。

图2 “多米诺”式断层模式示意图(据 Schlische，1991)Fig.2 Schematic map of domino-style fault block model(Modified from Schlische，1991)

图3 测线5地质构造解释图Fig.3 Geological structure interpretation for profile No.5

图4 测线5“多米诺”伸展断层深度剖面图Fig.4 Domino-style faults from profile 5 after conversion of the vertical axis from time to depth

表1 琼东南盆地上地壳伸展因子Table 1 Upper crust stretching factors in the Qiongdongnan basin

结果表明，琼东南盆地的上地壳伸展因子分布在1.17～1.58之间。琼东南盆地上地壳伸展因子的变化总趋势是同一测线深海处的伸展因子值大于浅海的，凹陷中央的伸展因子值大于边缘的;靠近凹陷边缘主控断裂带、凹陷隆起转换处位置的伸展因子值明显增大。总体而言，其大小分布并未表现出明显的对称规律。

4 讨论与结论

有别于经典的大西洋边缘海盆地，南海北部大陆边缘盆地的形成和岩石圈拉伸减薄机制是一直受到众多学者的关注，存在争议。争议的焦点是纯剪切模式、简单剪切模式还是分层剪切模式。早期的观点偏向于纯剪切模式(Su et al.，1989)。随着研究的深入，许多学者提出了不同的看法:Clift and Lin(2001)通过钻井资料计算地壳、地幔伸展因子，认为北部湾盆地地壳伸展因子和地幔伸展因子近似相等，符合纯剪模式，而珠江口盆地随着深度是存在明显差别的，不适合纯剪模式;李思田等(1998)认为地壳(主要是上地壳)表现为简单剪切，岩石圈地幔(包括部分下地壳)为纯剪切;Hayes et al.(1995)提出岩石圈的伸展主要是纯剪模式，但在切穿地壳的断层附近则表现为简单剪切;Schlüter et al.(1996)认为在大陆边缘裂解伸展的过程中，并不是由始至终的纯剪切或者简单剪切模式，相反，随着构造应力场的变化，伸展模式可以由简单剪切转换为纯剪切。吴世敏等(2005)结合南海南部资料，认为晚白垩世－早始新世南海北部边缘的伸展模型表现为简单剪切模型，晚始新世－渐新世/早中新世则是通过纯剪切模式完成的。

伸展模型的差异将导致伸展因子的不同，因此可以通过检查伸展因子的空间分布特点，检验伸展模型。为此，我们进一步对本文5条剖面“多米诺”伸展断层位置，利用刘兵①刘兵.2010.琼东南盆地前新生代沉积基底的重磁反演.中国科学院南海海洋研究所硕士论文.对琼东南盆地的基底及Moho面的反演数据，采用初始地壳厚度(假设为32 km)与现今地壳厚度之比的方法，得到对应位置的全地壳伸展因子，取平均值;另外在对应的“多米诺”伸展断层与基底(Tg)交点，采用虚拟钻井的方式，利用构造沉降史分析方法反演出岩石圈伸展因子，求其平均值，其中，古水深数据借助林畅松和张艳梅(1997)计算莺－琼盆地沉降曲线的方法;全球海平面参考Haq et al.(1987)三级全球海平面变化数据;通过钻井YC21-1-3(平面位置见图1)泥岩、砂岩百分比含量统计数据，利用Flex Decomp软件(英国Badley Geoscience Ltd软件产品)自带计算工具，求得各层对应的沉积物颗粒密度PSG，孔隙度F及压实系数C。与5条剖面“多米诺”伸展断层位置的上地壳伸展因子的平均值比较，其结果如图5。从结果来看，上地壳、全地壳、岩石圈伸展因子发生了随深度的变化，而不是均一伸展的纯剪变形。张中杰等(2010)对琼东南盆地深反射地震剖面的上地壳、全地壳伸展因子的计算结果也显示这一特点。目前过南海北部大陆边缘盆地的大剖面中，并没有识别出连续、大型的低角度拆离断裂，表明简单剪切模型在琼东南盆地也难以适用，琼东南盆地岩石圈的伸展变形则与深度相关。通过以上讨论，我们得到以下认识:

(1)利用“多米诺”式断盘模式计算琼东南盆地上地壳伸展因子，介于1.17～1.58之间。

(2)琼东南盆地的上地壳、地壳、岩石圈的伸展因子有一定的差别，但不是简单的随深度增大。

(3)琼东南盆地不同构造位置的岩石圈伸展变形存在明显的差异，盆地中北部(测线1和测线4)的岩石圈伸展变形特点为岩石圈伸展因子大于全地壳大于上地壳(图5a、d)，盆地西南部(测线2、测线3和测线5)岩石圈伸展变形则表现为全地壳最大，岩石圈最小(图5b、c、e)，可能与所处的西部剪切带和南海北部的伸展边缘交叉位置有关。

图5 琼东南盆地“多米诺”式半地堑处上地壳、地壳、岩石圈伸展因子平均值分布图Fig.5 Sketch map showing lithospheric stretching factors in domino half-grabens of the Qiongdongnan basin

致谢:本文得到两位匿名审稿专家的帮助和指导，提出了很多中肯的建议，在此深表感谢!

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Estimation of the Stretching Factors of the Qiongdongnan Basin and Domino-Style Fault Model

HE Chao1，2，LONG Genyuan3and WU Shimin4
(1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology and South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510301，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China;3.Marine Geoglogical Instite of Hainan Province，Haikou570206，Hainan，China;4.Department of Earth Sciences，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，Guangdong，China)

The calculation of stretching factors provides a feasible method to understand the extension and thinning of lithosphere.Based on the seismic profiles of the Qiongdongnan basin，the upper crust stretching factors are estimated by applying the domino-style fault block model，with results ranging from 1.17 to 1.58.The whole crust stretching factors and lithosphere stretching factors are also examined on the domino-style faults positions.The results demonstrate that there exists depth related difference，but not simply increase with depth，which indicates a heterogeneous lithospheric stretching.In conclusion，the depth dependent model is likely operational in the Qiongdongnan basin.

domino-style faults;stretching factors;depth-dependent lithospheric stretching;Qiongdongnan basin

P542;TE121.1

1001-1552(2012)02-0204-005

2011－06－29;改回日期:2011－12－29

项目资助:国家重点基础研究发展计划项目(2007CB411706-05)资助。

贺超(1986－)，女，硕士研究生，从事大陆边缘构造研究。Email:282370296@163.com